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생명과학 양병찬 (2017-07-13 09:32)
인터넷 사용자들은 다양한 포맷 중 하나를 선택하여 영화를 저장할 수 있다. 이제 생물학자들도 그 대열에 합류했다. 연구자들은 미생물의 면역시스템인 CRISPR–Cas를 이용하여 대장균(E. coli)의 유전체에 영화를 코딩하는 데 성공했다.
"《Nature》 7월 12호에 발표된 기술적 성과는(참고 1) 일련의 사건들을 코딩할 수 있는 세포녹화 시스템(cellular recording system) 탄생을 향한 첫걸음이다"라고 하버드 의대의 세스 쉽먼 박사(합성생물학)는 말했다. 쉽먼은 뇌의 발달을 연구하던 중, '뇌의 세포들이 독특한 정체성을 갖게 되는 과정을 캡처하는 방법이 부족하다'는 사실에 좌절감을 느꼈다. 그리하여 그는 '세포 녹화기(cellular recorder)를 만들 수 있을지도 모른다'는 생각을 떠올리고, 그 가능성을 탐구하기에 이르렀다.
"세포는 모든 종류의 정보에 접근할 수 있는 권한을 갖고 있다. 나는 이러한 분자녹화기(molecular recorder)를 발달중인 신경계에 투입하여, 정보를 녹화하게 하고 싶었다"라고 그는 말했다.
CRISPR 클립
그러나 그런 시스템을 개발하려면, 하나의 세포 안에서 일어나는 수백 가지 사건들을 기록하는 방법을 먼저 확립해야 했다. 그래서 쉽먼 박사와 동료들(유전학자 조지 처치 박사 포함)은 '유전체를 비교적 쉽고 정확하게 변화시키는 시스템'으로 유명한 CRISPR–Cas 면역시스템을 이용하기로 했다.
연구진은 그중에서도 '침입한 바이러스의 DNA 조각(snippet)을 캡처하여, 숙주 유전체의 사진첩에 저장하는 능력(참고 2)'을 이용했다. 자연계에서는 그런 캡처사진이 효소(유전자가위)를 안내하여 침입자의 DNA를 난도질하는 데 사용되는데, 이러한 과정을 표적지향 DNA 절단(targeted DNA cutting)이라고 한다. 유전학자들은 이 메커니즘을 유전자편집에 이용한다.
현재까지 알려진 고세균의 90%, 세균의 1/3이 일종의 CRISPR-Cas 면역시스템을 보유하고 있다. 이 면역시스템을 제어하는 것은 ① 스페이서(spacer)라는 시퀀스로 분리된 '짧고 반복적인 DNA'와 ② 인근에 있는 Cas(CRISPR-associated) 단백질 코딩 유전자다. Cas 단백질을 유전자가위라고도 한다.
1. 스페이서는 침입한 바이러스에서 캡처된 시퀀스로, 세균의 유전체에 통합된다. 이것은 바이러스 전과자의 사진이 모두 수록된 사진첩과 같다.
2. 바이러스 전과자가 나중에 또 침입할 경우, 세균은 사진첩을 뒤져 그놈의 스페이서를 찾아낸다. 스페이서에서 전사된 RNA를 가이드 RNA(gRNA)라고 하는데, 이것은 Cas 단백질을 침입자의 DNA나 RNA에 인도하여, 그것을 무장해제시킨다. gRNA와 Cas 단백질이 결합된 것을 Cas 절단 복합체(Cas cleavage complex)라고 한다.
연구진은 캡처사진들을 이미지의 화소(pixel)와 대응시키는 시스템을 설계했다. 즉, 연구진은 한 화소의 명암과 (이미지 속에서 화소의 좌표를 지정하는) 바코드를 33개의 DNA 글자로 코딩했고, 영화의 한 프레임을 104개의 DNA 단편(fragment)으로 구성했다.
연구진은 영국의 사진작가 이드위어드 머이브리지의 「인간과 동물의 운동」 시리즈를 각색하여 영화로 만들었는데, 그 사진들은 1887년 "애니 G."라는 암말이 질주하는 장면을 촬영한 것이다.
연구진은 이렇게 만든 DNA를 5일 동안 하루에 한 프레임씩 E. coli에 도입했다. 그런 다음 E. coli 집단의 CRISPR 영역을 시퀀싱하여 이미지를 복구했다. CRISPR 시스템은 DNA 조각들을 순차적으로 추가하므로, 사진첩에서 각각의 조각들이 차지하는 위치를 확인하면, 그 조각들이 소속된 오리지널 프레임이 어디인지를 알 수 있었다.
코딩 혁명
자신이 뇌를 연구하는 동안 꿈꿨던 '세포 녹화기'를 현실로 만들기 위해, 쉽먼은 먼 길을 걸어왔다. "한 단계를 넘어설 때마다 상당한 기술적 진보가 필요했을 것이다"라고 스위스 연방공대의 랜달 플랫(공학)은 논평했다. 하나의 세포는 각각의 프레임에서 하나 이상의 DNA 조각을 받아들이지 못하므로, 영화의 정보는 세포집단에 저장되었다. 그리고 지금껏 어느 누구도 CRISPR 사진첩을 포유류 세포에 이식한 적이 없다. "연구진이 개발한 세포 녹화기는 한계가 너무 많다. 그럼에도 불구하고 이번 연구는 선구적이며 우아하다"라고 플랫은 덧붙였다.
다른 CRISPR–Cas 시스템도 RNA를 DNA로 전환한 후 CRISPR에 삽입할 수 있다(참고 3). 이러한 코딩 시스템은 CRISPR 사진첩을 이용하여 유전자발현을 추적하는 길을 열게 될 것이다. 그럴 경우 RNA를 꺼내느라 세포를 파괴하지 않아도 된다.
노스캐롤라이나 더럼에 있는 반도체연구 컨소시엄인 SRC(Semiconductor Research Corporation)의 빅토르 지르노프 박사는 이번 연구를 "혁명적"이라고 부르며, 자신이 소속된 연구재단에서 그 기술을 개량하는 데 참여할 수 있기를 바라고 있다. "이번 연구는 1903년 라이트 형제가 처음으로 비행기를 띄운 사건에 비견된다. 그건 단지 호기심 때문이었지만, 그로부터 10년 후 사람들은 오늘날과 같은 비행기를 탈 수 있게 되었다"라고 그는 말했다.
https://www.youtube.com/watch?v=o8ONjPHLr6s
※ 참고문헌
1. Shipman, S. L., Nivala, J., Macklis, J. D. & Church, G. M., "CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria", Nature (2017); http://dx.doi.org/10.1038/nature23017
2. http://www.nature.com/doifinder/10.1038/541280a
3. Silas, S., et al., Science 351: aad4234 (2017); http://science.sciencemag.org/content/351/6276/aad4234/
※ 출처: Nature http://www.nature.com/news/lights-camera-crispr-biologists-use-gene-editing-to-store-movies-in-dna-1.22288
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